离子液体润滑碳刷/集电环载流摩擦学特性及其适配度研究

水轮发电机组碳刷/集电环装置常因摩擦界面接触问题出现过热、打火等问题,而离子液体在载流情况下具有优异的润滑性能且不会破坏接触面之间的电连续性,可提高机组运行的安全性和可靠性。为进一步探讨离子液体作为碳刷/集电环组件润滑剂的适配性、可靠性以及相关作用机制,选择咪唑类、季膦类、功能化等三大类离子液体,对其载流摩擦条件下的摩擦学性能进行评价。结果表明：功能化离子液体润滑性能最佳,可以最大程度地降低摩擦因数和接触电阻,使其界面接触更加稳定;咪唑类离子液体烷基侧链的长度强烈影响载流界面的润滑性,烷基侧链较长的咪唑类离子液体的摩擦学性能更好;离子液体在载流摩擦条件下的载流和润滑性能与润滑剂的性质及其和磨损表面形成的双层保护复合膜有关,且引入特殊官能的功能化离子液体更易于吸附在碳刷表面形成牢固的润滑膜。研究结果为碳刷-集电环组件润滑介质的选取提供理论依据和技术指导。     

运行工况对碳刷/集电环摩擦副表面膜形成的影响

目的 解决水轮发电机组碳刷/集电环组件接触界面表面膜形成困难和容易破损的问题。方法 在分析载流摩擦表面膜层成因的基础上,采用某水轮发电机组所用的碳刷及集电环配副,在同尺寸水轮发电机组碳刷/集电环模拟试验台进行相似性试验,用四探针方阻仪表征表面膜层的氧化情况,研究电流密度、速度、温度、载荷对集电环表面膜生成的影响。结果 碳刷与集电环形貌磨合大约需要200 min,随后表面膜逐渐形成。在4、8 m/s转速下,正极集电环表面方阻的最大值可达到0.6 mΩ,在12 m/s转速下正极集电环表面方阻的最大值可达到25 mΩ。电流提高了摩擦副的温度,有利于氧化反应的进行,但过高的温度会导致摩擦表面水分子脱附,从而严重磨损表面膜。负极碳刷的温度普遍高于正极碳刷。弹簧压力分布不均会导致碳刷载流分配不均,更易引发负极碳刷出现高温,损坏表面膜。在12 m/s转速、800 A电流工况下,表面膜的生成速度相对最快。结论 表面膜主要由石墨层和氧化物层组成,在表面膜的形成过程中,碳刷与集电环间的接触电阻在前期以收缩电阻为主,在后期以膜层电阻为主。膜层电阻主要受到膜层厚度的影响。转速是影响表面膜生成速率的主要因素。高温是造成表面膜破坏的直接原因。